ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ГЕОМАГНИТНОГО ПОЛЯ ДЛЯ ИНКЛИНОМЕТРА Российский патент 2005 года по МПК G01C17/16 

Изобретение относится к области исследования геофизических скважин и может быть использовано в инклинометрах для построения датчиков магнитного азимута, а также магнитометров различного назначения.

Известно устройство для измерения азимута, содержащее генератор, подключенный через усилитель к обмотке возбуждения двухкомпонентного феррозондового датчика геомагнитного поля, два идентичных канала преобразования, содержащие последовательно соединенные предварительные усилители, полосовые фильтры и синхронные детекторы и подключенные входами к сигнальным обмоткам датчиков, а выходами к аналого-цифровому преобразователю, а также процессорный блок с подключенными к нему дисплеем и плоттером [патент США №5052116, G 01 С 17/28, 1990 г.].

Недостатком устройства является отсутствие отрицательной обратной связи в каналах преобразования сигналов феррозондов, в результате чего устройство имеет низкую стабильность работы и точность.

Известен также автокомпенсационный феррозондовый магнитометр, содержащий феррозонд, обмотка возбуждения которого через усилитель подключена ко входу фазочувствительного детектора, генератор, подключенный к обмотке возбуждения феррозонда и ко входу управления фазочувствительного детектора, резистор, соединяющий выход детектора с компенсационной обмоткой феррозондов, и аналого-цифровой преобразователь, подключенный входами к выводам резистора [Семенов Н.М., Яковлев Н.И. Цифровые феррозондовые магнитометры. - Л.: Энергия, 1978, стр.30, рис.2-1].

Недостатком магнитометра является применение в феррозонде специальной компенсационной обмотки, значительно усложняющей конструкцию устройства, а также подключение выходов аналого-цифрового преобразователя к выводам резистора обратной связи, что существенно усложняет коммутацию цепей в случае использования одного аналого-цифрового преобразователя для обслуживания группы аналоговых магнитометров.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является автокомпенсационный феррозондовый преобразователь азимута, который принят за прототип и содержит генератор, подключенный к обмоткам возбуждения феррозондов, аналоговые ключи, выходы которых объединены и подключены через последовательно соединенные полосовой фильтр, синхронный детектор и усилитель постоянного тока ко входу аналого-цифрового преобразователя, а также резистор, соединяющий выход усилителя постоянного тока со входом полосового фильтра, при этом вход одного из аналоговых ключей соединен с общим проводом схемы преобразователя азимута, а входы остальных ключей - с выводами сигнальных обмоток феррозондов, а вход управления синхронного детектора соединен с выходом генератора [Рогатых Н.П., Александров С.С. Точность преобразователей азимута для инклинометров. - в кн.: Автоматизация и телемеханизация в нефтяной промышленности. - М.: ВНИИОЭНГ 1990, вып.11, с.23, рис.1].

По сравнению с первым аналогом данный преобразователь имеет более простую конструкцию, т.к. содержит лишь один канал преобразования, и обладает более высокой точностью, т.к. в нем нелинейность характеристик феррозондов устраняется путем введения отрицательной обратной связи по величине измеряемой составляющей геомагнитного поля посредством резистора, соединяющего выход усилителя постоянного тока с сигнальными обмотками феррозондов.

По сравнению со вторым аналогом данный преобразователь значительно проще, т.к. в нем сигнальные обмотки феррозондов используются одновременно и как компенсационные обмотки, а это, в свою очередь, обеспечивает более простую схему мультиплексирования сигналов феррозондов на вход общего канала преобразования. Для организации подобного мультиплексирования сигналов в известном магнитометре потребовалось бы в два раза больше аналоговых ключей.

Недостаток принятого за прототип феррозондового преобразователя азимута состоит в том, что при постоянном смещении (сдвиге) U₀ диапазона изменения сигнала на выходе преобразователя (на выходе усилителя постоянного тока) точность преобразователя снижается.

В этом случае сигнал феррозонда может быть представлен в виде

где Н - напряженность внешнего измеряемого геомагнитного поля, Н₀ - напряженность магнитного поля в сердечнике феррозонда, вызванная постоянным смещением U₀, а - коэффициент преобразования феррозонда, δ - погрешность преобразования поля, обусловленная нелинейностью характеристики намагничивания сердечника феррозонда. Но, поскольку погрешность 5 является функцией измеряемого поля и возрастает с увеличением величины измеряемого поля, имеет место неравенство

которое собственно и указывает на снижение точности преобразователя при наличии смещения U₀.

Кроме этого, смещение Uo приводит к неравенству

т.е. к несимметрии характеристики феррозонда. Последнее также является недостатком, т.к. ведет к усложнению алгоритмов в случае коррекции статических характеристик преобразователя.

Изобретение решает задачу сохранения максимальной точности измерения геомагнитного поля при осуществлении сдвига диапазона изменения сигнала на выходе преобразователя.

Технический результат, получаемый от использования изобретения, состоит в возможности выравнивания диапазонов изменения выходных сигналов преобразователя геомагнитного поля и входных сигналов аналого-цифрового преобразователя, подключаемого к выходу преобразователя, что позволяет получить максимальную точность при аналого-цифровом преобразовании сигналов феррозондового преобразователя.

Решение указанной задачи достигается тем, что в преобразователь геомагнитного поля для инклинометра, содержащий феррозонд, генератор, подключенный первым и вторым выходами к обмотке возбуждения феррозонда, синхронный детектор, вход которого соединен с выходом полосового фильтра, вход управления - с третьим выходом генератора, а выход - с первым входом усилителя постоянного тока, а также резистор, соединяющий выход усилителя постоянного тока со входом полосового фильтра, в отличие от прототипа введен источник опорных сигналов, первый выход которого через сигнальную обмотку феррозонда подключен ко входу полосового фильтра, а второй выход соединен со вторым входом усилителя постоянного тока, при этом усилитель постоянного тока имеет характеристику фильтра нижних частот, а постоянное смещение сигнала на выходе усилителя постоянного тока равно напряжению на первом выходе источника опорных сигналов.

Смещение диапазонов изменения сигналов на выходах феррозондовых преобразователей можно выполнить тремя способами: 1. Введением смещений нулевых уровней сигналов на выходах усилителей постоянного тока; 2. Введением постоянного подмагничивания сердечников феррозондов; 3. Подключением к выходу преобразователей дополнительных усилителей со смещением нулевых уровней сигналов на их выходах.

Первый и второй способы, как было показано выше, приводят к снижению точности измерений. Причем в некоторых случаях использования этих способов постоянное поле Но, соответствующее необходимому смещению нулевого уровня сигнала на выходе преобразователя, может получиться таким, что суммарное поле Н + Н₀ приведет к насыщению сердечника феррозонда, в результате чего феррозонд и преобразователь станут неработоспособными.

Третий способ свободен от недостатков предыдущих способов, т.к. параметры дополнительных усилителей не влияют на работу феррозондов. Но его недостаток состоит в том, что использование дополнительных усилителей усложняет и снижает надежность преобразователей.

Предлагаемый преобразователь реализует по существу первый способ смещения нулевых уровней сигналов на выходах преобразователей, но устраняет недостатки, присущие первым двум способам, т.к. в нем за счет включения сигнальной обмотки феррозонда между выходами усилителя постоянного тока и источника опорных напряжений исключается постоянное подмагничивание сердечников феррозондов (Н₀=0). По сравнению со случаем применения дополнительных усилителей предлагаемое решение дает более простые и дешевые схемы преобразователей, т.к. источники опорных сигналов могут быть реализованы в виде резистивных делителей напряжений без использования дорогостоящих активных компонентов. Кроме того, в качестве источников опорных сигналов могут использоваться одноименные блоки аналого-цифровых преобразователей, подключаемых к выходам феррозондовых преобразователей, а в многоканальных феррозондовых преобразователях может быть применен лишь один общий источник опорных сигналов, что также существенно упрощает конструкции устройств.

Заметим, что использование источников опорных сигналов в различных устройствах является известным фактом. Но введение в схему предлагаемого преобразователя источника опорных сигналов само по себе не приводит к желаемому результату, т.к. здесь положительный эффект достигается только совокупностью следующих признаков, а именно: наличием источника опорных сигналов, включением сигнальной обмотки феррозонда между выходом усилителя постоянного тока и соответствующим выходом источника опорных сигналов, а также установкой на соответствующем выходе источника опорных сигналов напряжения, равного смещению U₀ на выходе источника постоянного тока. Эта совокупность признаков является новой и неочевидной и обуславливает существенное отличие предлагаемого преобразователя от известных устройств.

Таким образом, предлагаемое решение позволяет сохранить максимальную точность, обеспечить высокую надежность и упростить конструкции преобразователей геомагнитного поля при осуществлении сдвига диапазона изменения сигналов на их выходах.

На чертеже представлена структурная схема преобразователя геомагнитного поля для инклинометра.

Преобразователь содержит генератор 1, подключенный выходами "1" и "2" к обмотке возбуждения феррозонда 2, последовательно соединенные полосовой фильтр 3 и синхронный детектор 4, усилитель постоянного тока 5, подключенный входом "1" к выходу синхронного детектора 4, а выходом через резистор 6 - ко входу полосового фильтра 3, а также источник опорных сигналов 7, выход "1" которого через сигнальную обмотку феррозонда 2 соединен со входом полосового фильтра 3, а выход "2" - со входом "2" усилителя постоянного тока 5, при этом выход "3" генератора 1 подключен ко входу управления синхронного детектора 4.

Источник опорных сигналов 7, используемый в преобразователе, может быть выполнен по одной из известных схем [Алексенко А.Г., Коломбет Е.А., Стародуб Г.И. Применение прецизионных аналоговых ИС. - М.: Радио и связь, 1981. -224 с.], в том числе в виде простого резистивного делителя напряжения.

Преобразователь работает следующим образом. Генератор 1 запитывает обмотку возбуждения феррозонда 2 переменным током, не содержащим четных гармоник, и на выходе "3" вырабатывает последовательность тактовых импульсов, обеспечивающих функционирование синхронного детектора 4. Частота тактовых импульсов равна удвоенной частоте основной гармоники тока возбуждения феррозонда 2. Посредством полосового фильтра 3 производится преобразование спектра и усиление сигнала феррозонда 2, при этом осуществляется режекция нулевой гармоники, действующей на входе фильтра, и сглаживание формы сигнала путем подавления высших гармоник. Синхронный детектор 4 и усилитель постоянного тока 5 преобразовывают переменный сигнал, снимаемый с выхода фильтра 3, в напряжение постоянного тока U, уровень которого пропорционален эффективному значению сигнала феррозонда 2. При этом усилитель постоянного тока 5 осуществляет подавление гармоник, вызванных работой синхронного детектора 4, а также возмущений сигнала, обусловленных периодическими магнитными полями и быстрыми перемещениями (вибрациями) феррозонда в геомагнитном поле, для чего имеет характеристику фильтра низких частот.

Информационный сигнал U складывается на выходе усилителя постоянного тока 5 с постоянным смещением U₀, характеризующим собой сдвиг диапазона изменения информационного сигнала U и получаемым путем усиления сигнала, снимаемого с выхода "2" источника опорного сигналов 7. В результате сигнал, действующий на выходе усилителя 5, т.е. на выходе преобразователя, имеет вид

где

A - коэффициент преобразования канала, включающего последовательно соединенные полосовой фильтр 3, синхронный детектор 4 и усилитель постоянного тока 5, b - коэффициент преобразования феррозонда 2, с - коэффициент обратного преобразования феррозонда 2, характеризующий величину магнитного поля в сердечнике феррозонда, создаваемого протекающим по его сигнальной обмотке постоянным током, R - сопротивление резистора 6, Н - измеряемая величина проекции геомагнитного поля на ось чувствительности феррозонда, U₇ - напряжение на выходе "2" источника опорных сигналов 7.

Разность напряжений (U₀-U₇) создает в сердечнике феррозонда постоянное поле

подмагничивающее сердечник феррозонда и приводящее к увеличению погрешности измерения геомагнитного поля Н. Для устранения именно этой погрешности в предлагаемый преобразователь вводится источник опорных напряжений и напряжение U₇ на его выходе "1" выбирается равным постоянному смещению сигнала U₀ на выходе усилителя постоянного тока 5. В результате обеспечивается равенство Н₀=0 и достигается максимальная точность измерений.

С целью выравнивания температурных дрейфов значений напряжений U₇ и U₀ смещение U₀ создается путем усиления сигнала, снимаемого с выхода "2" источника опорных сигналов 7 и имеющего такой же температурный дрейф, как и U₇. Для этого в предлагаемом преобразователе выход "2" источника опорных сигналов 7 соединяется со входом "2" усилителя постоянного тока 5.

Если измеряемое поле меняется в диапазоне ΔН=[H_min,H_max], то при U₇=U₀ диапазон изменения сигнала на выходе преобразователя составляет

где

Переход к новому диапазону изменения сигнала ΔU*₅=[U*_5min,U*_5max] осуществляется следующим образом. При закороченной сигнальной обмотке феррозонда 2 и U₇=0 на выходе усилителя постоянного тока 5 посредством изменения сигнала на выходе "2" источника опорных сигналов 7 устанавливается постоянное смещение

Далее на выходе "1" источника 7 устанавливается напряжение U*₇, равное U*₀(U*₇=U*₀), и путем подбора сопротивления резистора 6 выставляется коэффициент передачи канала обработки сигнала феррозонда, обеспечивающий равенство

При выполнении последней операции ось чувствительности феррозонда находится в положении, соответствующем Н=Н_min,mах.

Смещение U₀ определяется при калибровке преобразователя или периодически измеряется в процессе работы преобразователя. Полученные значения U₀ вычитаются из суммарного сигнала, действующего на выходе преобразователя, вследствие чего результирующий сигнал становится пропорциональным величине измеряемого поля Н.

Таким образом, в предлагаемом преобразователе имеется возможность сохранения максимальной точности измерения геомагнитного поля при сдвиге диапазона изменения сигнала на выходе. Она обеспечивается использованием в схеме преобразователя источника опорных сигналов и установкой на его выходах определенных значений сигналов, т.е. достаточно простыми средствами. При этом реализация схемы преобразователя осуществляется на основе широко применяемых электронных компонентов и не представляет собой сложности.

Изобретение относится к преобразователям магнитного азимута для инклинометров и магнитометров различного назначения. Технический результат: сохранение максимальной точности измерений при сдвиге диапазона изменения сигнала на выходе преобразователя. Сущность: преобразователь содержит феррозонд, генератор, синхронный детектор, резистор, источник опорных сигналов. Генератор подключен первым и вторым выходами к обмотке возбуждения феррозонда. Вход синхронного детектора соединен с выходом полосового фильтра, вход управления - с третьим выходом генератора, а выход - с первым входом усилителя постоянного тока. Резистор соединяет выход усилителя постоянного тока со входом полосового фильтра. Первый выход источника опорных сигналов через сигнальную обмотку феррозонда подключен ко входу полосового фильтра, а второй выход соединен со вторым входом усилителя постоянного тока. Усилитель постоянного тока имеет характеристику фильтра нижних частот. Постоянное смещение сигнала на выходе усилителя постоянного тока равно напряжению на первом выходе источника опорных сигналов. 1 ил.

Преобразователь геомагнитного поля для инклинометра, содержащий феррозонд, генератор, подключенный первым и вторым выходами к обмотке возбуждения феррозонда, синхронный детектор, вход которого соединен с выходом полосового фильтра, вход управления - с третьим выходом генератора, а выход - с первым входом усилителя постоянного тока, а также резистор, соединяющий выход усилителя постоянного тока со входом полосового фильтра, отличающийся тем, что в него введен источник опорных сигналов, первый выход которого через сигнальную обмотку феррозонда подключен ко входу полосового фильтра, а второй выход соединен со вторым входом усилителя постоянного тока, при этом усилитель постоянного тока имеет характеристику фильтра нижних частот, а постоянное смещение сигнала на выходе усилителя постоянного тока равно напряжению на первом выходе источника опорных сигналов.